三维绝热简正波-抛物方程理论及应用

复杂海域通常存在环境参数的水平变化,这会导致声波在传播过程中发生水平折射,呈现出三维效应.利用绝热简正波-抛物方程理论进行三维声场建模,在垂直方向上使用标准简正波模型KRAKEN求解本征值和本征函数,水平方向上使用宽角抛物方程模型RAM求解简正波幅度.该模型物理意义清晰,计算效率高,但由于忽略了各号简正波之间的耦合,只适用于环境参数水平变化缓慢的问题.使用该模型分析了内波环境和大陆架楔形波导中的声波水平折射现象,结果表明,声波的水平折射将水平平面分为不同区域,每个区域内的声场结构明显不同.此外,声强在水平平面内的分布与声源频率和简正波号数有关,这种依赖关系是导致声信号频谱变化、波形畸变以及声场时空扰动的主要原因.

三维耦合简正波-抛物方程理论及算法研究

研究三维海洋环境下声传播的快速数值预报方法。在广义相积分(WKBZ)理论和波束位移射线简正波(BDRM)理论的基础上,将二维耦合简正波-抛物方程理论推广至三维。三维耦合简正波-抛物方程(CMPE3D))理论的级数解由垂直方向的本地简正波和水平与方位角方向的简正波幅度系数组成。为了实现该理论的快速算法,在垂直方向上采用WKBZ理论和BDRM理论进行简正波分析,在水平与方位角方向采用与抛物方程模型FOR3D[Lee D.et al.,"Numerical Ocean AcousticPropagation in Three Dimensions",World Scientific,Singapore,1995]类似的方法来求解简正波幅度系数方程。数值计算结果表明,在精度相当的情况下,计算速度比抛物方程算法提高了约100倍,具有计算精度高、速度快的优点。

耦合Galerkin简正波解的抛物方程方法水下声传播计算

研究水平变化的海洋环境下声传播的计算方法.把Galerkin方法的简正波解应用于耦合简正波抛物方程,可同时考虑海水和海底声场计算,对水平变化的海洋环境问题的数值计算表明,在包含海水和海底的声场计算中该方法的计算结果都具有较高的精度.

声矢量场的抛物方程计算方法

采用抛物方程方法对声场声压进行计算,通过尤拉公式给出抛物方程方法对声矢量场参数求解表达式,并利用差分方法对声场质点振速值进行数值计算.该文介绍了三维抛物方程理论与FOR3D程序算法;对PEKER IS问题、单层海洋环境及ASA基准楔形模型环境下的声矢量场进行仿真验证.结果表明,利用抛物方程方法可以快速简便地求解复杂海洋环境下的声场,并且可以用于计算声矢量场参数.

基于WKBZ理论的耦合简正波-抛物方程理论

研究水平变化海洋环境中声传播的快速数值预报方法 .在广义相积分(WKBZ)理论的基础上 ,提出了一种能够快速、准确地求解简正波本征值的方法 ,并将此方法应用于耦合简正波 抛物方程 (CMPE)理论 .分析了两种典型声速剖面的简正波本征值 ,并计算了一个楔形海区中的声传播问题 (JASA标准问题 ) .计算结果表明本方法是一种快速而精确的数值方法 .

一种局地简正波快速求解方法——耦合简正波计算

通过求解低维矩阵问题替代简正波模型的差分算法,提出一种快速获得局地简正波本征波数和本征函数的方法。数值算例的结果表明:局地简正波本征波数和本征函数与KRAKAN的计算结果吻合较好,利用获得的局地简正波信息计算的相干传播损失与For3D的计算结果的均方误差为1.61 dB,从而验证了方法的可行性。

单阶简正波宽带干涉特性与孤立子内波定位

为了分析孤立子内波(SIW)对声场干涉特性的影响以及由此监测SIW,我们采用抛物方程模型,分析了孤立子内波影响下简正波耦合带来的单阶简正波宽带脉冲序列的干涉特性;仿真了宽带脉冲信号穿过SIW时,单阶简正波接收脉冲序列随内波位置的变化情况,分析了它们的时空干涉特性和机理;基于耦合简正波理论,推导得到了内波位置和干涉条纹斜率之间的关系。仿真表明,这一关系式可以精确估计SIW距离,估计精度和稳定性比以往方法大大提升。此外,还根据单阶简正波干涉图样在频率上的周期性,推导了另一种估计SIW距离的方法,该方法具有更好的实时性。SIW-简正波干涉关系可用于改善声场定位,对于海洋学、海洋工程和海洋军事等方面具有重要价值。此外,该关系还可以拓展到其他的局部特性变化的探测,如金属探伤和海底地形突变定位等。

浅海孤子内波对水平纵向相关性的影响

基于简正波理论和孤子内波模型,该文推导出声线经过孤子内波后的频域上的声压表达式,然后利用声压表达式推导出水平纵向相关系数一般表达式,研究了浅海孤子内波引起的声场水平纵向相关系数的变化,并且运用二维抛物方程模型仿真计算验证理论推导结果,并在简正波干涉环境下给出物理现象解释。结果表明,孤子内波引起的浅海声场水平纵向相关系数变化,乃由简正波干涉所导致,当孤子内波幅度变化不是很大时,其幅度改变不会引起水平纵向相关系数周期和幅度的显著变化。文中给出特定环境下的水平纵向相关系数随时间变化的结果,当环境中第一、第二号简正波占主导地位时,水平纵向相关系数会呈现出周期变化。

三维水声传播建模及并行算法研究

宽带声传播、匹配场定位、水下环境仿真等技术的发展对水声传播提出了越来越高的要求,如何开发快速准确并与实际海洋环境条件相吻合的三维声传播模型,并充分利用现代计算机技术实现声传播的快速计算已成为水声技术的一个重要研究方向。基于波束位移射线简正波(BDRM)理论,将射线-简正波方法和简正波-抛物方程方法结合起来,建立三维射线-简正波-抛物方程模型,同时为满足三维声场计算的时间需求,设计了射线-简正波-抛物方程模型并行算法,在高性能集群系统上的测试分析结果表明,设计的并行算法具有较高的并行计算效率。

利用高斯射线束方法的深海匹配场定位

0引言匹配场定位作为一种水声被动定位方法,是近几十年来海洋声学研究的热点之一。目前在浅海匹配场定位中常用的一些拷贝场计算方法,如简正波方法和抛物方程近似法等,计算深海问题需要的时间很长,同时对计算机内存要求很高,如果不使用大型并行计算平台,很难实现拷贝场的准实时快速计算。射线理论是最早建立起来的经典理论模型之一,其算法简单,物理意义清晰,计算速度快。

倾斜海底情况下声矢量场的计算

根据质点运动方程,给出了基于抛物方程法和简正波法的质点振速表达式,并对水平海底和倾斜海底情况下的声矢量场进行了仿真计算.结果表明,抛物方程法能对倾斜海底情况下的声矢量场进行快速预报.

海水吸收对远距离水下声场计算的影响

低频声波在海水中短距离传播时,海水吸收对声场的影响几乎可以忽略。但是在实际传播中,传播距离可能达到数百甚至数千千米,此时海水吸收会对声场带来较大影响。在这种情况下,如果选用的水下声场计算程序忽略海水吸收,则远距离的声场计算结果会存在明显误差。分别比较了全反射理想波导和深海Munk声速剖面环境下几种常用声场计算模型的结果,验证了海水吸收对远距离声场计算的影响;然后通过给抛物方程RAM模型增加海水吸收,使RAM更加适用于远距离声场计算。给出的数值算例的计算结果显示,改进后的RAM模型得到的传播损失与已经包含了海水吸收的简正波模型COUPLE及波数积分模型SCOOTER给出的结果一致,表明改进后的RAM模型引入了正确的海水吸收,从而可以更精确处理远距离声传播问题。